Механизм и эффективность сенсибилизации флуоресценции красителей в наночастицах из дикетонатов ионов металлов Миронов Леонид Юрьевич

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1 - Литературный обзор 11

1.1. Люминесцирующие наночастицы 11

1.2. Использование безызлучательного переноса энергии в люминесцирующих наночастицах 13

1.3. Миграция синглетного экситона в наночастицах 17

1.4. Перенос энергии от органических молекул на ионы Ln 19

1.5. Сенсибилизованная флуоресценция молекул красителей в наночастицах из дикетонатов трехвалентных металлов 21

ГЛАВА 2 Методика синтеза наночастиц из дикетонатов ионов трехвалентных металлов, допированных молекулами красителей 24

2.1. Комплексные соединения Р-дикетонов с ионами трехвалентных металлов 24

2.2. Методика синтеза наночастиц из дикетонатных комплексов трехвалентных металлов, допированных красителями 26

2.3. Молекулы красителей, используемые для допирования наночастиц из дикетонатных комплексов 28

2.4. Стабильность растворов синтезируемых наночастиц 31

и постоянство их состава 31

2.5. Выводы к Главе 2 33

ГЛАВА 3 - Влияние состава наночастиц из дикетонатов ионов металлов на эффективность сенсибилизации красителей 34

3.1. Зависимость спектров поглощения и флуоресценции 35

наночастиц от их состава 35

3.2. Влияние состава наночастиц на сенсибилизованную з флуоресценцию красителей 40

3.3. Выводы к Главе 3 49

ГЛАВА 4 Перенос энергии между красителями в наночастицах из дикетонатных комплексов 51

4.1. Сенсибилизация флуоресценции низких концентраций двух разных красителей в дикетонатных наночастицах 52

4.2. Перенос энергии от наночастиц на примесь красителя с использованием второго красителя в качестве посредника в переносе энергии 55

4.3. Выводы к Главе 4 64

ГЛАВА 5 Механизм переноса энергии от синглетного уровня лиганда на ионы Ln в комплексных соединениях Ln и Р-дикетонов 66

5.1. Определение величины ktT от лиганда комплекса на ион Ln в наночастицах из комплексов Ln(NTA)3phen 67

5.2. Роль миграции энергии в сенсибилизации флуоресценции нильского синего, внедренного в наночастицы из комплексов Eu(NTA)3phen 73

5.3. Определение величины ktT от лиганда комплекса на ион Ln в наночастицах из комплексов Ln(PhBTA)3phen 75

5.4. Механизм переноса энергии от Si уровня Р-дикетонов на ионы лантанидов в их комплексах 78

5.5. Выводы к Главе 5 81

ГЛАВА 6 Особенности вхождения кумарина 30 в наночастицы из дикетонатов металлов 83

6.1. Влияние иона-комплексообразователя на интенсивность сенсибилизованной флуоресценции СЗО в наночастицах 83

6.2. Участие кумарина 30 в формировании комплексов и наночастиц 89

6.3. Выводы к Главе 6

Заключение 92

Список использованных источников

• Миграция синглетного экситона в наночастицах
• Молекулы красителей, используемые для допирования наночастиц из дикетонатных комплексов
• Влияние состава наночастиц на сенсибилизованную з флуоресценцию красителей
• Перенос энергии от наночастиц на примесь красителя с использованием второго красителя в качестве посредника в переносе энергии

Введение к работе

Актуальность. Исследование наноструктурированных и наноразмерных материалов - это направление, привлекающее большое внимание в настоящее время. Индустрия наносистем входит в список приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации. Интерес к данной тематике проявляется как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения. Оптические свойства наночастиц (НЧ), в том числе люминесцентные, проявляют ряд особенностей, по сравнению с изолированными молекулами или ионами.

На примере исследований наночастиц, прослеживается тенденция к мультидисциплинарным исследованиям, находящимся на стыке физики, химии и биологии. В обзорах [1-3] описаны экспериментальные работы, посвященные применению люминесцирующих наночастиц различного состава в области биологии и медицины. Флуоресценция широко используется в биологических науках. Флуоресцентные метки и зонды используются в таких методиках, как флуоресцентная микроскопия, проточная цитометрия, секвенирование ДНК, иммуноферментный анализ, исследование конформации молекул с помощью Фёрстеровского переноса энергии. В современной практике в качестве флуоресцентных меток в основном используются молекулы флуоресцентных красителей. Благодаря интенсивному поглощению, возможности связываться с биологическими молекулами, высоким квантовым выходам флуоресценции и разнообразию спектров флуоресценции, молекулы красителей остаются основными флуоресцентными метками. В то же время необходимость поиска методов дальнейшего повышения чувствительности флуоресцентного анализа, использующего красители, обуславливает актуальность поиска новых флуоресцирующих меток, в частности, с использованием наночастиц. Основные требования к люминесцентным меткам и зондам для биологического применения это устойчивость в водном окружении, нетоксичность, интенсивная флуоресценция и различные спектральные характеристики, для одновременного контроля различных веществ.

В данной работе исследуются фотопроцессы в наночастицах, состоящих из комплексов ионов трехвалентных металлов с Р-дикетонами. Известно, что в водных и водно-спиртовых растворах такие комплексы за счет их гидрофобности самособираются в наночастицы [4]. В таких наночастицах наблюдается усиление люминесценции малой примеси комплексов Eu, Sm, Tb и Dy, внедренных в наночастицы, в основном состоящие из дикетонатов La, Gd или Lu [5], использующееся для проведения высокочувствительного иммунофлуоресцентного анализа [6]. Причина повышения интенсивности

люминесценции перечисленных ионов в наночастицах, по сравнению с их одиночными комплексами, заключается в том, что благодаря миграции энергии происходит сенсибилизация их люминесценции не только непосредственно связанными с ними лигандами, но и лигандами других комплексов La, Gd или Lu, составляющих основную массу образующихся наночастиц.

В 2008 году было обнаружено, что в процессе самосборки наночастицы из комплексов трехвалентных ионов металлов с Р-дикетонами захватывают в свою структуру молекулы красителей из раствора [7, 8]. При этом наблюдается сенсибилизованная флуоресценция молекул красителей, возбуждаемая в полосе поглощения наночастиц. Аналогично описанному выше случаю сенсибилизации люминесцирующих ионов лантанидов наблюдается сенсибилизация флуоресценции красителей за счет поглощения квантов света комплексами, входящими в наночастицу, с последующей миграцией энергии по комплексам в наночастице к молекулам красителей. Данная работа посвящена исследованию механизма и путей переноса энергии в наночастицах из [3-дикетонатов металлов на внедренные в них красители, влияния различных факторов на эффективность этого процесса.

Цель диссертационной работы: исследование закономерностей флуоресценции красителей в наночастицах, путей, механизма и эффективности переноса энергии в наночастицах из (3-дикетонатов трехвалентных металлов различного состава, дотированных молекулами красителей. Поиск оптимального состава для создания набора интенсивно флуоресцирующих наночастиц со спектрами флуоресценции в области длин волн длиннее 500 нм.

Были поставлены следующие задачи для выполнения цели диссертационного исследования:

1. Изучить влияние времени жизни флуоресцентного состояния комплексных соединений, образующих наночастицы, на эффективность сенсибилизации флуоресценции примеси молекул красителей.

2. Изучить влияние посредников в переносе энергии от наночастиц на молекулы красителей на эффективность сенсибилизации флуоресценции последних.

3. Исследовать конкуренцию переноса энергии на различные красители в наночастицах, для установления возможности усиления флуоресценции одновременно нескольких красителей при их переходе из раствора в наночастицы.

4. Определить механизм и константы скоростей переноса энергии от синглетных уровней (3-дикетонов на ионы редкоземельных элементов

Научная новизна работы состоит в следующих результатах:

5. Изучена зависимость вероятности переноса энергии на краситель в наночастицах из комплексов разных ионов металлов от времени жизни возбужденного состояния этих комплексов.

6. Показано, что в перенос энергии наночастиц на малую примесь красителя может быть усилен методом введения промежуточного посредника в переносе энергии (другого красителя или определенных ионов Ln³⁺).

7. Доказано существование переноса энергии от синглетных возбужденных уровней лигандов в дикетонатах ионов Ln^JT на уровни ионов, поглощающих в области спектра флуоресценции лигандов.

8. Определены константы скорости переноса энергии от сингл етных уровней лигандов р-дикетонов на поглощающие ионы Ln³⁺.

9. Созданы дикетонатные комплексы Ln^J+ с кумарином 30 в качестве синергического агента, что позволило сдвинуть область возбуждения комплексов и наночастиц от 350 нм до 450 нм.

10. Показано, что предлагаемый метод усиления флуоресценции красителей в растворе применим к широкому ряду молекул красителей различных групп (кумариновые, родаминовые, оксазиновые, трифенилметановые), имеющих различные заряды (катионные, анионные, нейтральные).

Практическое значение диссертационной работы обеспечивается следующим:

11. Разработана методика, позволяющая усиливать флуоресценцию малых концентраций красителей в водных и водно-спиртовых растворах с помощью их внедрения в наночастицы из (3-дикетонатных комплексов ионов металлов.

12. Созданы ярко флуоресцирующие наночастицы, возбуждаемые в ближней УФ и фиолетовой областях спектра и имеющие различные спектры флуоресценции для Х{\ > 500 нм в зависимости от выбора допирующего красителя.

Методология и методы исследования. Для достижения поставленных целей были использованы методы оптической спектроскопии поглощения и люминесценции. Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных методов исследования и воспроизводимостью результатов измерений.

Защищаемые положения:

1. В наночастицах из комплексов NTA и PhBTA с ионами А1³⁺ и Sc³⁺ наблюдается увеличение эффективности сенсибилизации флуоресценции

примесных красителей по сравнению с наночастицами из комплексов Ln(NTA)₃phen и Ln(PhBTA)₃phen, обусловленное увеличением критического радиуса переноса энергии от лигандов комплексов на молекулы красителей и увеличением длины свободного пробега синглетного экситона по лигандам комплексов Sc и А1.

2. Показано, что кумарин 30 входит в комплексные соединения лантанидов с (3-дикетонами и стабилизует комплексы и наночастицы из них в растворе в качестве синергического агента, при этом не наблюдается концентрационного тушения флуоресценции кумарина 30.

3. При внедрении высокой концентрации молекул кумарина 30 в наночастицы из комплексов Lu и La, дотированные вторым красителем с нижерасположенным синглетным возбужденным уровнем, наблюдается увеличение интенсивности сенсибилизованной флуоресценции последнего, обусловленное конкуренцией между переносом энергии на кумарин 30 с последующей сенсибилизацией флуоресценции второго красителя и процессом интеркомбинационной конверсии лигандов комплексов в триплетное состояние.

4. Установлено, что в дикетонатах лантанидов, поглощающих в области флуоресценции лигандов, происходит перенос энергии по обменно-резонансному механизму от синглетных возбужденных уровней лигандов на ионы лантанидов с величиной константы скорости переноса энергии k_tr ~

io^io'V.

Реализация и апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы были использованы в Университете ИТМО при выполнении грантов Российского фонда фундаментальных исследований (13-03-00252А и 10-03-00566А). Результаты работы были представлены на следующих всероссийских и международных конференциях: 5^th International Conference on Luminescence and its Applications (Bangalore, India, 2015), VIII Международная конференции «Фундаментальные проблемы оптики - 2014» (Санкт-Петербург, Россия, 2014), 17^th International Conference on Luminescence (Wroclaw, Poland, 2014), XV International Feofilov symposium on spectroscopy of crystals doped with rare earth and transition metal ions (Kazan, Russia, 2013), VII Международная конференции «Фундаментальные проблемы оптики - 2012» (Санкт-Петербург, Россия, 2012), II Конференция «Будущее оптики» (Санкт-Петербург, Россия, 2014), I, II и III Всероссийские конгрессы молодых ученых (Санкт-Петербург, Россия, 2012, 2013, 2014).

Личный вклад автора. Все экспериментальные данные получены лично автором. Цель работы была сформулирована совместно с научным

руководителем. Автор участвовал в планировании экспериментов и анализе результатов. Подготовка статей к публикации проводилась совместно с научным руководителем и соавторами.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 8 статьях, входящих в список ВАК. Полный список публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата и составляет 17 наименований.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, библиографического списка из 96 наименований, содержит 104 страницы текста, 25 рисунков и 13 таблиц.

Миграция синглетного экситона в наночастицах

Полимерные наночастицы также могут включать в свою структуру молекулы красителей. В работе [32] были синтезированы полимерные наночастицы размером порядка 50 нм, при этом, полимерная матрица была допированна двумя различными красителями. Перенос энергии между ними позволил получить наборы наночастиц, имеющие разные спектры флуоресценции при одинаковой длине волны возбуждения. В полимерных наночастицах матрица может выполнять активную роль. Так, в работе [33] была показана возможность создания набора люминесцирующих наночастиц с помощью допирования матрицы из сопряженного полимера полифлуорена молекулами других полимеров. При этом возбуждение люминесценции происходит через полосы поглощения матрицы с последующей передачей энергии на примесные молекулы. По анализу тушения флуоресценции матрицы было определено, что одна молекула акцептора тушит флуоресценцию порядка 100-200 молекул, образующих наночастицы, что говорит о наличии эффективной миграции энергии по матрице наночастиц. Теми же авторами показана возможность сенсибилизации флуоресценции молекул красителей в наночастицах из связанных полимеров [34]. Было показано, что внедрение нейтральных красителей (перилен, кумарин 6) в матрицу из сопряженных полимеров приводит к эффективному тушению флуоресценции наночастиц и появлению сенсибилизованной флуоресценции красителей. Отмечена также высокая фотостабильность, полученных наноструктур.

В исследуемых в данной работе наночастицах наблюдается усиление флуоресценции внедренных примесных молекул на один - два порядка при возбуждении флуоресценции через полосу поглощения комплексов, составляющих основу наночастиц. Причиной усиления флуоресценции является миграция энергии по лигандам комплексов, образующим наночастицы, позволяющая передавать на единичную молекулу примеси энергию возбуждения множества молекул лигандов. При этом можно выделить две стадии сенсибилизации флуоресценции красителя. Первая - это миграция энергии по молекулам, образующим наночастицы, вторая - непосредственно перенос энергии на примесь. В отсутствии миграции энергии константа скорости переноса энергии от лигандов комплексов на примесь красителя может быть рассчитана исходя из теории Фёрстера. В свою очередь, миграция энергии по лигандам комплексов, образующих наночастицы, может быть описана теорией миграции экситонов в молекулярных кристаллах. В книге Аграновича и Галанина [35] обсуждена подвижность когерентных и некогерентных экситонов, подходы к определению коэффициентов диффузии экситонов. Способность экситонов к миграции характеризуется длиной диффузного смещения: L = jD o, (1.1) где D - коэффициент диффузии экситона, а т0 - время его жизни.

В обзоре [36] приведено сравнение различных методов, используемых для теоретического описания миграции энергии. В ряде работ проведено экспериментальное измерение длины свободного пробега синглетного экситона в молекулярных кристаллах. В работе [37] была определена длина свободного пробега синглетного экситона в кристаллах антрацена содержащих и не содержащих посторонние примеси. Суть метода определения длины свободного пробега состоит в наблюдении тушения флуоресценции кристалла при адсорбировании на поверхности слоя молекул красителей родамина В. Для кристалла антрацена высокого качества и очистки длина свободного пробега синглетного экситона была определена равной 60 нм. В то же время, при допировании кристаллов акридином эта величина падала вдвое. Определение длины свободного пробега синглетного экситона в тонких органических пленках представляет интерес для применений в области органических светодиодов [38] и солнечных батарей [39]. При проектировании таких систем необходимо учитывать параметр диффузного смещения экситона для выбора толщин слоев.

Миграция синглетных экситонов в наночастицах приводит к эффективному тушению флуоресценции наночастиц на примесях, либо дефектах структуры. Для наночастиц из связанных полимеров были определены коэффициенты диффузии синглетного экситона с помощью наблюдения тушения флуоресценции наночастиц и изменения времени жизни их синглетного состояния при внедрении в структуру наночастиц молекул красителей [40]. При определении коэффициента диффузии экситона были учтены размеры наночастиц и тушение на дефектах структуры. В то же время, в работе [41] высказано предположение о влиянии допантов на структуру наночастиц и, как следствие, изменение значения коэффициенте диффузии синглетного экситона в допированных наночастицах из связанных полимеров. Авторы также провели измерение диффузии синглетного экситона, используя данные о тушении флуоресценции молекул, формирующих наночастицы, молекулами красителя, при этом они не внедряли их в структуру наночастиц, а осаждали на поверхности. В данных двух работах были использованы разные полимеры для создания матрицы наночастиц, однако величина длины свободного пробега синглетного экситона в них совпала в пределах экспериментальной точности и равна примерно 12 нм. Длина свободного пробега синглетного экситона является важным параметром, определяющим эффективность сенсибилизации флуоресценции молекул красителей в исследуемых в данной работе наночастицах. В работах [42] и [43] авторы указывают на влияние неоднородностей и дефектов на длину свободного пробега синглетного экситона. Таким образом, неоднородность состава комплексов, формирующих исследуемые наночастицы, может приводить к ухудшению миграции энергии по ним и ухудшению условий сенсибилизации молекул красителей.

Молекулы красителей, используемые для допирования наночастиц из дикетонатных комплексов

Увеличение концентрации комплексов в растворе приводит к росту концентрации и размеров наночастиц. В том случае, когда количество молекул красителей в наночастицах превышает количество наночастиц, увеличение концентрации и размера наночастиц вызовет рост /sfl при L+R большем первоначальных размеров наночастиц. Также при любых значениях параметров L и R с ростом концентрации наночастиц может наблюдаться рост /sfl, обусловленный уменьшением концентрационного тушения красителей. Если рассмотреть случай, когда количество молекул красителя меньше количества наночастиц в растворе, то понятно, что только рост размера наночастиц при L + R d может приводить к увеличению /Sfi красителя.

Данные о влиянии трехкратного увеличения концентрации комплексов Sc(NTA)3 и Lu(NTA)3phen на \& и /sfl 50 нМ NB, а также на величину тушения флуоресценции комплексов, формирующих наночастицы, приведены в таблице 3.1. Видно, что вместе с ростом концентрации комплексов в растворе и увеличением /gfl 50 нМ NB наблюдается коротковолновый сдвиг его A,Sfi и уменьшение тушения флуоресценции комплексов Sc(NTA)3 в присутствии красителя. Если концентрация [NB] [НЧ], то наблюдающийся коротковолновый сдвиг спектра флуоресценции NB свидетельствуют об уменьшении концентрационного тушения флуоресценции красителя в системах с большей концентрацией комплексов. Увеличение /8д NB при увеличении концентрации комплексов в 3 раза непропорционально увеличению I& комплексов. Также при увеличении концентрации комплексов уменьшается тушение флуоресценции комплексов красителем, что свидетельствует об изменении условий сенсибилизации красителя в наночастицах. Было проведено исследование /Sfi NB при изменении концентрации красителя от 1 до 250 нМ в наночастицах различного состава и концентраций (рисунок 3.5). Как и предполагалось, форма этих кривых показывает, что концентрационное тушение флуоресценции красителя для наночастиц с разными ионами-комплексообразователями меньше в наночастицах из большего количества комплексов. Также заметно, что концентрационное тушение флуоресценции NB проявляется при меньших концентрациях в наночастицах из комплексов Sc по сравнению с наночастицами из комплексов Lu.

Согласно теории [35], длина свободного пробега синглетного экситона должна быть примерно втрое больше при определенных значениях rfl в наночастицах из комплексов Sc по сравнению с наночастицами из комплексов Lu. Разница в сумме параметров L+R может являться причиной наблюдаемой разницы в концентрационном тушении флуоресценции нильского синего в наночастицах различного состава. В наночастицах из комплексов Sc, имеющих большую длину свободного пробега синглетного экситона, величина /8д NB приходит к максимуму при меньших концентрациях красителя. По этой причине концентрационное тушение красителя проявляется раньше по сравнению с наночастицами из комплексов Lu, в которых при идентичных концентрациях NB продолжается конкуренция увеличения /gfl NB и концентрационного тушения флуоресценции. Исследование в области концентраций [NB] 25 нМ, где [NB] [НЧ] показало, что при [NB] 10 нМ в наночастицах всех исследуемых составов наблюдается близкая к линейной зависимость Isu NB от концентрации красителя. Линейность наблюдается тогда, когда в каждую наночастицу входит не более одной молекулы красителя. Следовательно, концентрация наночастиц не меньше 10 нМ. При увеличении концентрации NB до 25 нМ в наночастицах из 10 5 М комплексов Sc(NTA)3 наблюдается значительное отклонение от линейной зависимости /sfl([NB]), что говорит о том, что часть наночастиц включает в себя более одной молекулы красителя. В соответствии со статистическим распределением молекул по наночастицам, это является свидетельством того, что концентрация наночастиц 25 нМ. Сопоставление концентрации комплексов и NB позволяет оценить количество комплексов в наночастицах и соответственно размеры наночастиц. Согласно этой оценке наночастица состоит более чем из 400, но менее чем из 1000 комплексов. Размер комплекса порядка 1 нм [73]. Отсюда следует, что усредненный диаметр (d) наночастиц составляет порядка 7,4-10 нм. Величина L = 6,3 нм была найдена из известных значений коэффициента диффузии экситона 5-Ю"3 CMV1 [74, 75] и rfl комплексов Sc(NTA)3, а расчет R по формуле Фёрстера для переноса энергии от этих комплексов на NB дал значение R = 3 нм. Эти оценки показывают, что в наночастицах из 10 мкМ комплексов Sc(NTA)3, величина L+R близка к оцененному размеру этих наночастиц. Значение коэффициента диффузии 5-10" см с" определено для молекулярных кристаллов, при этом значения, получаемые различными авторами для различных систем, могут значительно отличаться. Особенностью наночастиц из комплексов по сравнению с этими кристаллами, является то, что комплексы имеют диаметр порядка 1 нм, включают в себя три взаимодействующие между собой молекулы лигандов, и перескок энергии осуществляется от такой большой системы на такие же соседние системы. Поэтому не вполне ясно, применимы ли коэффициенты диффузии, найденные для молекулярных кристаллов, для оценки эффективности миграции энергии в наночастицах из комплексов.

Проведенное исследование усиления флуоресценции NB в наночастицах из комплексов Sc(NTA)3 согласуется с оценкой значения L+R для данных наночастиц. В условиях малого поглощения раствора и при соотношении параметров L+R d, а также когда в каждой наночастице в среднем находится одна молекула красителя, усиление интенсивности флуоресценции красителя при сравнении прямого возбуждения флуоресценции и его сенсибилизации через наночастицы должно быть пропорционально соотношению полос поглощения комплексов и нильского синего. Для 10 мкМ комплексов (Єщої= 4-Ю4 М_1см-1) и 50 нМ красителя NB (єтоі = 7.8-Ю4 М_1см_1) соотношение должно быть примерно равно 100 при условии коррекции спектра возбуждения. Наблюдаемое экспериментально соотношение полос в спектрах возбуждения флуоресценции NB в наночастицах из 10 мкМ Sc(NTA)3 120 (рисунок 3.6), что соответствует полному переносу энергии от наночастиц на примесные молекулы нильского синего.

Влияние состава наночастиц на сенсибилизованную з флуоресценцию красителей

При концентрации красителей в растворе меньшей, чем концентрация наночастиц и при условии равномерного распределения красителей по наночастицам, они в основном будут находиться в разных наночастицах. В таких условиях интенсивность сенсибилизованной флуоресценции (Tgfl) каждого из красителей не должна зависеть от присутствия в растворе другого красителя. Такая независимость величин Isu красителей наблюдалась при синтезе наночастиц в растворах, содержащих одновременно 1 нМ родамина 6G (R6G) и 2 нМ нильского синего (NB) (рисунок 4.1 а, б, в), при концентрации наночастиц из комплексов Lu(PhBTA)3phen порядка 10 нМ.

Априори неизвестно, какое количество растворенных молекул R6G внедряется в наночастицы и конкурирует с молекулами NB за энергию возбуждения комплексов, и при каких концентрациях двух разных красителей в растворе и наночастицах возможен перенос энергии между красителями. Была изучена зависимость интенсивности сенсибилизованной флуоресценции R6G и NB в наночастицах из 10 5 М комплексов Lu(PhBTA)3phen в растворах, содержащих 5, 10 и 20 нМ одного из этих красителей и в растворах, содержащих оба красителя, а также в растворах СЗО и R6G с таким же выбором концентраций. Было показано, что при 5 нМ и 10 нМ СЗО ( sfl=510 нм) и 5 нМ и 10 нМ R6G (A,Sfi=550 нм) разница в величинах /sflR6G в растворах наночастицах, содержащих только R6G и одновременно два красителя невелика (не более 10%). Из этого следует, что в наночастицах из 10"5М комплексов Lu(PhBTA)3phen при данных концентрациях молекул красителей практически не проявляется конкуренция за энергию возбуждения комплексов и перенос энергии между красителями. Равномерное распределение молекулы красителей по наночастицам приводит к отсутствию заметного взаимодействия (из-за наложения спектров флуоресценции надежность определения /sflC30 в наночастицах с концентрацией двух красителей равной 5 нМ невелика). Спектры R6G (Ад=550 нм) и NB (А =668 нм) практически не перекрываются, что позволяет достоверно наблюдать тушение флуоресценции родамина 6G нильским синим. При концентрации красителей 10 нМ для пары R6G и NB наблюдалось незначительное уменьшение /SflR6G и небольшой рост /sfl NB, позволяющий предположить, что при увеличении суммарной концентрации красителей в наночастицах до 20 нМ возможно наблюдение переноса энергии между красителями.

Сенсибилизованная флуоресценция 1 нМ R6G, внедренного в наночастицы из комплексов Lu(PhBTА)зрпеп; б) сенсибилизованная флуоресценция 2 нМ NB, внедренного в наночастицы из комплексов Lu(PhBT А)зр1іеп; в) сенсибилизованная флуоресценция 1 нМ R6G и 2 нМ NB в НЧ при их одновременном внедрении в НЧ; Растворитель - 10% С3Н7ОН + 90 об.% Н20, Т=295 К Сенсибилизация флуоресценции одних молекул красителей другими в наночастицах надежно наблюдалась в растворах, содержащих по 20 нМ каждого из красителей. В наночастицах, одновременно содержащих 20 нМ СЗО и 20 нМ R6G, величина /8д R6G была в 1.4 раза выше, чем в тех же наночастицах не содержащих СЗО. Для другой пары красителей, где в качестве красителя-сенсибилизатора был выбран R6G, также наблюдалось уменьшение величины /sfl R6G и роста /Sfi NB в наночастицах, содержащих 20 нМ каждого из красителей одновременно, по сравнению с растворами, в которых синтезируются наночастицы с 20 нМ красителя одного типа (рисунок 4.2). Для каждого набора молекул красителей изменение /Sfi красителей доноров энергии и красителей акцепторов энергии в наночастицах зависит от их способности переходить из раствора в наночастицы и от величины перекрытия спектров флуоресценции красителей доноров энергии и спектров поглощения красителей акцепторов энергии.

Кумарин 30 внедряется в наночастицы, состоящие из комплексов Ln(PhBTA)3phen, в концентрациях, соизмеримых с концентрацией комплексов, образующих наночастицы. При этом наблюдается отсутствие концентрационного тушения сенсибилизованной флуоресценции кумарина 30 и миграция энергии по молекулам СЗО. Это позволяет предполагать, что в таких системах возможен полный перенос энергии от наночастиц на молекулы кумарина 30 и далее на молекулы красителей, возбужденные уровни которых лежат ниже Si уровня СЗО. Схема таких процессов переноса энергии изображена на рисунке 4.3.

В наночастицах, состоящих из комплексов La(PhBTA)3phen или Lu(PhBTA)3phen и допированных молекулами родамина 6G или нильского синего, было проведено исследование влияния СЗО на /Sfi этих красителей при возбуждении их флуоресценции через полосу поглощения наночастиц (А,еХс=360 нм). Эксперименты были поставлены при диапазоне концентраций R6G или NB 10 - 200 нМ в растворе, наночастицы формировались в рстворах, содержащих 10 5 М комплексов. Концентрация СЗО менялась в диапазоне от 0.5 до 2 мкМ. Величины тушения флуоресценции кумарина 30 молекулами R6G или NB при его возбуждении через собственную полосу поглощения в видимой области спектра ( ехс=440 нм) и полосу поглощения наночастиц (А,ехс=360 нм) одинаковы. По этой причине в таблице 4.1 представлены данные о тушении флуоресценции СЗО другими красителями только для A«xc=360 нм. Величина /Sfi для R6G и NB значительно не менялась при дополнительном допировании наночастиц 1 или 2 мкМ СЗО. Вместе с тем возрастание /Sfi NB при введении в наночастицы 0,5 мкМ СЗО было меньшим, чем при введении 1 мкМ СЗО.

Перенос энергии от наночастиц на примесь красителя с использованием второго красителя в качестве посредника в переносе энергии

В параграфе 1.4 приведен обзор работ посвященных переносу энергии между органическими молекулами и ионам лантанидов. На данный момент экспериментально показано наличие переноса энергии, как от триплетного, так и от синглетного состояния органических молекул. Однако зачастую, перенос энергии в дикетонатах лантанидов интерпретируют как проходящий исключительно через триплетное состояние органической части комплекса. Этому способствует ряд обстоятельств. Как правило, время жизни флуоресценции лигандов в дикетонатах лантанидов мало (порядка 10" -10" с), что связано с наличием тяжелого атома в комплексе и, как следствие, усилением интеркомбинационной конверсии в триплетное состояние. Также ряд работ показывает наличие сенсибилизованной люминесценции ионов лантанидов только в том случае, когда триплетный уровень выше резонансного уровня иона.

Проведенные исследование наночастиц, образованных дикетонатами различных ионов Ln3+ и допированных молекулами красителей, показало наличие переноса от синглетного уровня Р-дикетонов, а также позволило интерпретировать наблюдающийся перенос энергии как проходящий по обменно-резонансному механизму. Константы скорости переноса энергии (к ) были определены из непосредственного тушения флуоресценции лигандов комплексов ионов Ln , имеющих полосы поглощения в области флуоресценции лигандов, по сравнению с интенсивностью лигандов в комплексах Gd3+. Также ktr были определены из сравнения интенсивности сенсибилизованной флуоресценции примесного красителя в наночастицах из комплексов поглощающих ионов и ионов Gd . Порядок величины кь для переноса энергии от лиганда комплекса на ион Ln составляет 10-10 с" в зависимости от выбора иона и лиганда. Основное содержание данной главы опубликовано в работах [78, 79]. 5.1. Определение величины ktr от лиганда комплекса на ион Ln3+ в наночастицах из комплексов Ln(NTA)3phen

Лиганды комплексов лантани дов с Р-дикетонами обладают низкой интенсивностью флуоресценции из-за влияния тяжелого атома лантанида, стимулирующего переход комплекса в триплетное состояние. Например, комплексы Gd(NTA)3phen имеют квантовый выход флуоресценции порядка 0,005 в водно-спиртовых растворах. Тем не менее, комплексы Ln(NTA)3phen обладают достаточно высокой интенсивностью флуоресценции, чтобы наблюдать её тушение в комплексах поглощающих ионов. Это позволяет определить константы скорости переноса энергии от синглетного уровня Р-дикетонов на ионы Ln .

При формировании комплексов Ln и самоорганизующихся из них наночастиц в растворе остается небольшое количество свободных молекул HNTA, спектры поглощения и флуоресценции которых частично перекрываются со спектрами комплексов Ln(NTA)3phen. Чтобы минимизировать вклад флуоресценции свободных молекул NTA во флуоресценцию лигандов комплексов, возбуждение флуоресценции комплексов осуществлялась на длинноволновом краю спектров поглощения (А,ехс=380 нм). Длинноволновые спектры поглощения комплексов разных ионов Ln (рисунок 5.1) и, следовательно, величины их излучательных констант близки. Расчет излучательной константы по формуле Кравца-Стриклера-Берга [70, 71] дает значение А = (8 ± 2)-10 с" для комплексов Gd . Таким образом, величины /fl комплексов (табл. 5.1) пропорциональны их qu и изменяются только под влиянием изменения их zh. В главе 3 приведено значение rfl = 8 пс для комплексов Lu(NTA)3phen. Изменения r комплексов прочих ионов Ln пропорциональны изменению величин их /fl (рисунок 5.2). В частности, 1й комплексов Gd(NTA)3phen вдвое меньше /fi комплексов Lu(NTA)3phen, то есть rGd = 4 пс. Величины г комплексов поглощающих ионов, а также полученные из них значения констант &tri для переноса энергии от Si уровней лигандов комплексов на ионы Ln приведены в табл. 5.1. Расчеты ktrX были проведены по формуле: trl

Спектры флуоресценции растворов НЧ из комплексов Ln(NTA)3phen, где Ln - это Gd (1), Ег (2), Но (3). Растворитель: 98% Н20 + 2% С3Н7ОН, Т = 293 К, х = 295 нм Таблица 5.1. Влияние центрального иона комплексов на интенсивность флуоресценции лиганда (/я0), сенсибилизованной (7sfiNB) и собственной (7flNB) флуоресценции красителя. Значения констант скоростей переноса энергии от NTA на ионы Ln, рассчитанные из тушения флуоресценции NTA этими ионами (ktri) и из данных об эффективности сенсибилизации флуоресценции NB (ktr2) в наночастицах из комплексов тех же ионов. 98% НгО + 2% С3Н7ОН,

Возможны два механизма тушения синглетного возбужденного состояния лигандов комплексов ионами Ln : 1) перенос энергии от Si-уровня лиганда на ниже расположенные уровни ионов; 2) кросс-релаксация между Si - Ті переходом (AEST « 3000 см"1) в лиганде и находящимся в резонансе переходом с основного уровня иона (AELn). Последний механизм невозможен для комплексов ионов Tm , HoJ и Er , у которых AEST AELn. Поскольку тушение флуоресценции лигандов комплексов наблюдается для комплексов всех исследованных ионов, то существование переноса энергии от Si уровня лиганда на ниже расположенные уровни ионов не вызывает сомнения.

Из измерения спектров замороженных растворов комплексов Ln в этаноле следует, что высота триплетного уровня NTA в этих комплексах - 19700 см"1. В то же время, в работе [80] приводится значение 19600 см"1 для высоты триплетного уровня комплексов Gd(NTA)3, растворенных в смеси из диэтилового эфира, изопентана и этанола с объемным соотношением 5:5:2. Ниже этого уровня расположены уровни пяти ионов, для которых в экспериментальных условиях можно ожидать люминесценции в видимой области спектра: Sm3+ (4G5/2), Eu3+ (5D0 и 5Dj), Pr3+ (lD2\ Er3+ (4S3/2 и др.) и Ho3+ (5S2 и 5F5 и др.). Существование люминесценции первых четырех из перечисленных ионов в протонированных средах хорошо известно [81]. Появление сенсибилизованной люминесценции Рг (переход 3Р0 - 3Н6 lD2 - 3Н6) было зафиксировано в растворах ряда дикетонатов [82] и в наночастицах из комплексов Ln(PhBTA)3phen, в последних высота триплетного уровня - 20400 см"1 [80]. Высота уровня 3Р0 у иона Рг3+ также 20400 см"1, что приводит к значительному тушению люминесценции с этого уровня по сравнению с люминесценцией с lD2 уровня, расположенного на высоте 16700 см"1 [83]. Появление сенсибилизованной люминесценции ионов Ей с D0 и D! уровней, Sm3+ с 4G5/2 уровня, Рг3+ с lD2 уровня и Но3+ с 5F5 уровня (рисунок 5.3) позволяет предполагать, что перечисленные ионы могут участвовать в переносе энергии возбуждения комплексов на краситель. Сенсибилизованная люминесценция ионов и красителей возникает в результате поглощения энергии возбуждения лигандами. Долю энергии, перенесенную на ион и оставшуюся на лиганде, можно рассчитать из уменьшения /fl комплекса под влиянием конкретного иона по сравнению с In комплексов Gd(NTA)3phen. Отсюда следует, что квантовый выход лигандов в комплексах Ln(NTA)3phen может быть определен из соотношения интенсивностей флуоресценции комплексов по формуле: